estudo da influência da agitação e da severidade de...
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Estudo da Influência da Agitação e da Severidade de Têmpera do Meio
de Resfriamento na Determinação de Velocidades Críticas de Têmpera
Autor: Antonio Rogério T. Carvalho
Orientador: Prof. Dr. Valdemar Silva Leal
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA
Estudo da Influência da Agitação e da Severidade de Têmpera do Meio
de Resfriamento na Determinação de Velocidades Críticas de Têmpera
Autor: Antonio Rogério T. Carvalho
Orientador: Prof. Dr. Valdemar Silva Leal
Curso: Engenharia Mecânica
Área de concentração: Instrumentação e Controle Industrial
Dissertação de mestrado profissional apresentada à comissão de Pós-Graduação da
Faculdade de Engenharia Mecânica, como requisito para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
São Luís, 2004
MA.-Brasil
ii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO PROFISSIONAL
Estudo da Influência da Agitação e da Severidade de Têmpera do Meio
de Resfriamento na Determinação de Velocidades Críticas de Têmpera
Autor: Antonio Rogério T. Carvalho
Orientador: Prof. Dr. Valdemar Silva Leal
______________________________________________________________________________ Prof. Dr. Kamal A. R. Ismail, Presidente Instituição: Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP ______________________________________________________________________________ Prof. Dr. Valdemar Silva Leal Instituição: Universidade Estadual do Maranhão – UEMA ______________________________________________________________________________ Prof. Dr. Waldemir Silva de Lima Instituição: Universidade Estadual do Maranhão – UEMA
São Luís, 05 de fevereiro de 2004
iii
Dedicatória
À minha mãe, irmãos e sobrinhas.
iv
Agradecimentos
A Deus, pela vida;
Agradeço, honesta e humildemente:
a minha mãe, pelo amor, carinho, tranqüilidade, confiança e compreensão de sempre;
a minha família, base da minha existência;
ao Prof. Dr. Valdemar Silva Leal, pela oportunidade, ensinamentos, orientação,
paciência e amizade;
aos amigos do Núcleo Tecnológico de Engenharia e do Centro de Ciências e
Tecnologia da Universidade Estadual do Maranhão, pelo companheirismo, ajuda e
incentivo;
ao Eng. Valderci, pelo valioso apoio no desenvolvimento deste estudo;
a Ana Montenegro, pela revisão gramatical;
a UEMA, UNICAMP e CLA, pela oportunidade;
a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram na realização deste trabalho.
v
“O que motiva um homem? Muitas coisas, mas sobretudo a curiosidade. Se em todo o mundo todas as pessoas fossem conformistas, a civilização não avançaria. Se fossem todos curiosos e aventureiros, se extinguiriam. O equilíbrio está na existência de uns 15 ou 20% do segundo grupo.”
Chacal (hacker argentino)
vi
Resumo
CARVALHO, Antonio Rogério Torres. Estudo da influência da agitação e da severidade de
têmpera do meio de resfriamento na determinação de velocidades críticas de têmpera.
Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2004.
62 p. Dissertação de Mestrado. E-mail:[email protected]
Estuda-se a influência da variação da agitação e da severidade de têmpera do meio de
resfriamento sobre as curvas e taxas de resfriamento durante o processo de têmpera do aço. Os
ensaios foram realizados com amostras dos aços 1045, 8620 e 8640, temperadas em água e
salmoura, promovendo-se a variação do estado de agitação do refrigerante. Os dados apontam
para variação da taxa de resfriamento máxima de 27,65% a 110,09% e uma diminuição nos
tempos de resfriamento de 7,83% a 63,25%, para os três materiais estudados, com o aumento da
agitação do meio. Verificam-se ainda, ganhos nas taxas e tempos de resfriamento com a variação
da severidade de têmpera pela troca do meio, água por salmoura, da ordem de 73,27%, sem
agitação do meio, e diminuição do tempo de resfriamento em aproximadamente 20%. Os dados
ainda demonstram ganhos no tempo e nas taxas de resfriamento devido ao aumento do percentual
de carbono no aço, quando se compara os dados obtidos para as amostras dos aços 8620 e 8640.
Palavras chave:
Tratamento térmico, têmpera, agitação do meio de resfriamento, severidade de têmpera, velocidade crítica.
vii
Abstract
CARVALHO, Antonio Rogério Torres. Study about the influence of the agitation and the
severity of state of hardness of the cooling middle in the determination of critical speeds of state
of hardness. Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas,
2004. 62 p. Dissertação (Mestrado). E-mail:[email protected]
Study about the influence of the agitation range and quench severity of the
quenchant on cooling times and rates during the quench. The assays were accomplished
with samples of steel 1045, 8620 and 8640, water and brine quenched, by increasing the
agitation of the quenchant. The data show a rise in the maximum cooling rates of the
27.65% - 110%, and a reduction in the times of cooling of the 7.83% - 63.25%, on the
three materials studied, with the increase of the agitation of the quenchant. They were
verified too, a gain in the cooling rates and times with the variation of the quenchant
severity, water to brine, of 73.27%, without agitation, and reduction of cooling time in
approximately 20%. The data still show a gain in the cooling time and rates caused by the
percentage of carbon increase on the steel, when be compared with the data scored in the
samples of steel 8620 and 8640.
Key words:
Heat treatment, quench, quenchant agitation, quench severity, critical speed.
viii
Índice
Dedicatória............................................................................................................................ iii
Agradecimentos .................................................................................................................... iv
Resumo ................................................................................................................................. vi
Abstract................................................................................................................................ vii
Índice .................................................................................................................................. viii
Lista de Figuras.......................................................................................................................x
Lista de Tabelas .................................................................................................................. xiii
Nomenclatura...................................................................................................................... xiv
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................................1
1.1 Preliminares ..........................................................................................................................1
1.2 Objetivo..................................................................................................................................2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................3
2.1 Alotropia do ferro puro e influência do carbono ...............................................................3
2.2 Tratamentos térmicos...........................................................................................................7
2.3 Têmpera ...............................................................................................................................10
2.4 Mecanismo de resfriamento ...............................................................................................13
2.5 Diagramas de transformação isotérmica – diagramas TTT ...........................................15
2.6 Diagrama de resfriamento contínuo – CCT .....................................................................16
ix
2.7 Curvas de resfriamento .....................................................................................................17
2.8 Transferência de calor durante a têmpera .......................................................................18
2.9 Temperabilidade .................................................................................................................22
2.10 Severidade de têmpera .......................................................................................................24
3 MATERIAIS E MÉTODOS ..............................................................................................29
3.1 Materiais ..............................................................................................................................29
3.2 Meios ....................................................................................................................................30
3.3 Métodos................................................................................................................................32
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................................36
4.1 Temperabilidade dos materiais – Ensaio Jominy ............................................................36
4.2 Dureza dos materiais – curvas U .......................................................................................38
4.3 Curvas e taxas de resfriamento .........................................................................................40
4.3.1 Aço 1045...............................................................................................................................40
4.3.2 Aço 8620...............................................................................................................................47
4.3.3 Aço 8640...............................................................................................................................50
4.4 Dureza dos materiais testados ...........................................................................................52
5 CONCLUSÕES ...................................................................................................................56
6 RECOMENDAÇÕES PARA ESTUDOS FUTUROS .....................................................58
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................................59
x
Lista de Figuras
Figura 2.1 Transformação alotrópica do ferro..............................................................................4
Figura 2.2 Diagrama Ferro-Carbono ............................................................................................5
Figura 2.3 Esquema de classificação dos tipos de tratamentos térmicos dos metais e ligas ........7
Figura 2.4 Tratamentos térmicos do aço ......................................................................................8
Figura 2.5 Deformações do aço acima e abaixo da zona crítica...................................................9
Figura 2.6 Limites de resistência à tração e ao escoamento de aços normalizados e revenidos e de aços temperados e revenidos.............................................................11
Figura 2.7 Relação de dureza, percentual de carbono e quantidade de martensita ....................12
Figura 2.8 Primeiro estágio - cobertura de vapor sobre a peça em resfriamento .......................14
Figura 2.9 Segundo estágio - ebulição do meio de resfriamento................................................14
Figura 2.10 Terceiro estágio – resfriamento convectivo ..............................................................15
Figura 2.11 Diagrama IT para o aço 1050....................................................................................16
Figura 2.12 Diagrama de resfriamento contínuo, aço 0,44% de carbono ....................................17
Figura 2.13 Mecanismos de resfriamento.....................................................................................18
Figura 2.14 Taxa de Du/D em função do diâmetro da barra para barras de aço 3140 temperadas em água e óleo .......................................................................................27
Figura 3.1 Bancada para agitação do meio de refrigeração........................................................30
Figura 3.2 Diagrama elétrico da bancada de agitação do meio ..................................................31
Figura 3.3 Esquema do sistema de medição, monitoração e registro de temperatura ................32
Figura 3.4 Metodologia de desenvolvimento do trabalho ..........................................................32
xi
Figura 3.5 Meio de resfriamento sem agitação, agitação moderada e com agitação violenta......................................................................................................................33
Figura 4.1 Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza para o aço ABNT, SAE, AISI 1045 ..............................................................36
Figura 4.2 Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza para o aço ABNT, SAE, AISI 8620 ..............................................................37
Figura 4.3 Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza para o aço ABNT, SAE, AISI 8640 ..............................................................37
Figura 4.4 Medidas de dureza na seção transversal do aço 1045, temperado sem agitação do meio de resfriamento............................................................................................38
Figura 4.5 Medidas de dureza na seção transversal do aço 8620, temperado sem agitação do meio de resfriamento............................................................................................39
Figura 4.6 Medidas de dureza na seção transversal do aço 8640, temperado sem agitação do meio de resfriamento............................................................................................40
Figura 4.7 Curvas de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água sem agitação (SA), agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento...............................................................................................................41
Figura 4.8 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água sem agitação do meio refrigerante ..................................................................................................41
Figura 4.9 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água com agitação moderada do meio refrigerante .................................................................................42
Figura 4.10 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água com agitação violenta do meio refrigerante ....................................................................................43
Figura 4.11 Curvas de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em salmoura, sem agitação (SA), com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento.................................................................................................44
Figura 4.12 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em salmoura sem agitação do meio refrigerante....................................................................................45
Figura 4.13 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em salmoura com agitação moderada do meio refrigerante ...................................................................45
Figura 4.14 Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em salmoura com agitação violenta do meio refrigerante......................................................................46
xii
Figura 4.15 Curvas de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água, sem agitação (SA), com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento.................................................................................................47
Figura 4.16 Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água sem agitação do meio refrigerante ..................................................................................................48
Figura 4.17 Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água com agitação moderada do meio refrigerante .................................................................................49
Figura 4.18 Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água com agitação violenta do meio refrigerante ....................................................................................49
Figura 4.19 Curva de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em salmoura sem agitação (SA), com agitação moderada e agitação violenta do meio refrigerante ................................................................................................................50
Figura 4.20 Curva de resfriamento do aço ABNT 8640, temperado em água, sem agitação (SA), com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio refrigerante ................................................................................................................51
Figura 4.21 Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 1045, temperado em água .....................................................................................................................52
Figura 4.22 Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 1045, temperado em salmoura ..............................................................................................................53
Figura 4.23 Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 8620, temperado em água .....................................................................................................................54
Figura 4.24 Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 8640, temperado em água .....................................................................................................................54
xiii
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Severidade de têmpera de vários meios de têmpera..................................................27
Tabela 3.1 Composição química nominal dos aços 1045, 8620 e 8640 .....................................29
Tabela 4.1 Dureza inicial dos materiais ......................................................................................38
Tabela 4.2 Resumo dos ensaios realizados .................................................................................55
xiv
Nomenclatura
Letras Latinas a área de influência das bolhas na superfície aquecida [m2] A área da superfície aquecida [m2] Ar número de Arquimedes B,b constante cp calor específico a pressão constante[J / kg ▪ K] D diâmetro instantâneo da bolha de ar [m] Dd diâmetro da área seca sob a bolha de ar [m] G vazão [m3 / s] g aceleração gravitacional [m / s2] gc taxa de conversão Gr número de Grashof h coeficiente de transferência de calor [kW / m2 ▪ K] H severidade de têmpera HR dureza Rockwell Hfg calor latente durante evaporação [J / kg] Ja número de Jacob K,k condutividade térmica [W / m ▪ K] N número de locais de atividade de nucleação Pr número de Prandtl q, q” fluxo de calor [W / m2] Ra número de Rayleigh tg tempo de crescimento das bolhas de ar (s) T temperatura [°C, K]
Letras Gregas α difusividade térmica [m2 / s]
xv
β coeficiente de expansão térmica [K-1] φ parâmetro da área de influência das bolhas na superfície aquecida γ parâmetro da área de influência das bolhas na superfície aquecida µ viscosidade [Pa ▪ s] ν viscosidade cinemática [m2 / s] ρ densidade [kg / m3] σ tensão superficial [N / m]
Subscrito cp referência à transição entre o primeiro e segundo estágio do resfriamento crit referência ao valor crítico f referência ao líquido saturado fg referência à mudança de estado de líquido para vapor g,G referência à gás ou condição de vapor l,L líquido s relativo à superfície sat saturação v vapor vp referência à transição entre o segundo e terceiro estágio do resfriamento w parede, periferia
Sobrescrito * referência ao valor crítico ou parâmetro adimensional
Siglas ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AISI American Iron and Steel Institute ASM American Society for Metals ASTM American Society for Testing and Materials NUTENGE Núcleo Tecnológico de Engenharia SAE Society of Automotive Engineers UEMA Universidade Estadual do Maranhão
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Preliminares
A utilização de peças de aço em aplicações de alta durabilidade e performance, caso de
parafusos de extrusoras, pistões de marteletes, punções, ferramentas de corte, etc., ganhou
impulso a partir da utilização dos tratamentos térmicos, particularmente a têmpera
(endurecimento por resfriamento rápido) e o revenido (alívio das tensões).
Embora de larga utilização, a aplicação dos tratamentos térmicos, em grande parte, baseia-
se em métodos empíricos consagrados durante anos de prática.
Atualmente, com a melhoria da capacidade de processamento e armazenamento dos
microcomputadores e o desenvolvimento das placas de aquisição de dados, o modelamento destes
processos ganhou acentuada atenção e estes estudos vêm validando ou até mesmo modificando os
métodos utilizados nos tratamentos térmicos, visando a economia de tempo, redução do
desperdício devido a perdas e retrabalhos de peças e à otimização dos processos de manufatura de
produtos.
As curvas de resfriamento podem ser obtidas com a utilização de termopares inseridos à
peças temperadas e são importantes pois seu estudo permite a previsão da temperabilidade,
microestrutura e a distribuição de dureza do material, tornando possível a quantificação das
variáveis envolvidas no processo.
2
1.2 Objetivo
A finalidade deste estudo é determinar a influência da agitação e da severidade de têmpera
do meio de resfriamento sobre as curvas de resfriamento de peças de aço temperadas. Busca-se,
através de ensaios em laboratório, avaliar os efeitos da variação do estado de agitação e da
severidade de um meio de resfriamento na obtenção das curvas críticas de resfriamento durante o
processo de têmpera.
3
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1 Alotropia do ferro puro e influência do carbono
Para se compreender como as propriedades do aço variam, deve-se examinar as
transformações alotrópicas do Ferro e a ação do Carbono sobre estas, figura 2.1.
Até a temperatura de 912 °C, o ferro está cristalizado em uma estrutura cúbica de corpo
centrado, com átomos de ferro nos vértices e no centro da célula, chamado de ferro alfa.
Observa-se, entretanto, que na temperatura de 768 °C, há um desprendimento de energia e o ferro
deixa de ser magnético. A esta temperatura dá-se o nome de ponto Curie e a alteração deve-se à
mudança dos “spins” dos elétrons dos átomos. Antes da elucidação deste fenômeno, a esta faixa
entre 768 °C e 912 °C, denominava-se de ferro beta.
A partir de 912 °C até 1.394 °C, a estrutura formada é composta por átomos nos vértices e
no centro das faces de um cubo, cúbica de face centrada, e denomina-se ferro gama.
Após 1.394 °C até a temperatura de fusão, 1.538 °C, o ferro volta a ter uma estrutura cúbica
de corpo centrado, idêntica àquela da faixa até 912 °C, porém com nome de ferro delta.
A adição de carbono ao metal ferro provoca modificações nas temperaturas das
transformações alotrópicas, uma vez que o efeito deste é o de estabilizar o ferro gama. Além
4
disso, a solubilidade do carbono varia com a temperatura, fazendo surgirem variadas texturas
durante o aquecimento ou resfriamento da liga.
Figura 2.1 – Transformação alotrópica do ferro, Höltz (1992)
a) Diagrama de equilíbrio da liga ferro-carbono
As ligas de ferro-carbono de interesse metalúrgico são aquelas cujo teor de carbono é
inferior a 6,69%. O aço, composto por 0,02% a 2,11% de carbono, e o ferro fundido, de 2,11% a
6,69% de carbono, são as ligas mais importantes destes elementos, figura 2.2.
5
No aço, o carbono encontra-se combinado a uma parte do ferro formando o carboneto de
ferro (Fe3C), também chamado cementita, que contém 6,69% de carbono. No estado líquido, este
carboneto encontra-se inteiramente dissolvido na massa líquida, formando uma solução
homogênea. Ao solidificar-se, esta solução permanece homogênea devido à propriedade do ferro
gama em poder manter uma solução sólida mais extensa com o carbono, denominada austenita.
Figura 2.2 – Diagrama Ferro-Carbono, Shackelford (1999)
6
A linha GSE e a horizontal de 727 °C do diagrama da figura 2.2 marcam o início e o
término das modificações da textura do aço, quando aquecidos ou resfriados. Se resfriados
lentamente, esta textura se conserva até a temperatura ambiente, caso contrário, têm-se texturas
compostas. Estas linhas delimitam o que se chama de zona crítica.
Como a solubilidade do carbono no ferro gama é limitada, máxima de 2,11 % à 1.148 °C e
de 0,77% à 727 °C, a medida em que se resfria a liga, o carbono passa a precipitar-se nos
contornos de grãos de austenita, por difusão, até ocorrer a transformação alotrópica do ferro gama
em ferro alfa, à 727 °C,. Como o ferro alfa forma uma solução pouco extensa com o carbono
(ferrita), ao passar pela horizontal de 727 °C, a austenita transforma-se em perlita, grãos
lamelares de ferro alfa e carboneto em camadas finas e alternadas.
Para os aços resfriados lentamente, abaixo da horizontal de 727°C, temos, resumidamente:
• até 0,77% C – aços hipoeutetóides – a ferrita isola-se ou precipita-se junto aos
contornos de grãos de austenita resultando em ferrita + perlita;
• 0,77% C – aços eutetóides – a ferrita formada envolve a austenita formando
lamelas, ou seja, perlita; e,
• 0,77% a 2,11% - aços hipereutetóides – forma-se a perlita envolvida por
carbonetos precipitados resultando em perlita + cementita.
b) Influência do carbono sobre as propriedades mecânicas
No aço, o carbono ao unir-se ao ferro forma o carboneto de ferro, extremamente duro.
Devido a isto, quanto maior o teor de carbono, maior será a quantidade de carboneto e
conseqüentemente, maior a dureza, maior a resistência a tração e menor a ductilidade e
resistência ao choque. “As propriedades de um metal formado por grãos de um constituinte
envolvido por grãos de outro constituinte, tendem para aquelas do constituinte envolvente”,
confirma Colpaert (1974).
Logo, os aços com baixos teores de carbono em que a ferrita, dúctil, é o componente
envolvente são fáceis de deformar à temperatura ambiente. Àqueles com teores elevados de
7
carbono e predominância da cementita, dura e quebradiça, nos contornos de grãos, apresentam-se
quebradiços e difíceis de deformar.
2.2 Tratamentos térmicos
O aumento dos limites de resistência à tração e ao escoamento de aços pode ser obtido de
forma mais barata e rápida através da aplicação de tratamentos térmicos, normalmente a têmpera,
seguida, ou não, de revenido.
Apesar de determinante, o preço, em face do baixo custo dos materiais empregados, não é a
única vantagem do tratamento térmico. Acrescenta-se a este, a facilidade de aplicação e a
simplicidade do processo. Como desvantagens pode-se citar a forte influência da composição
química nos resultados e a não aplicabilidade em todo e qualquer tipo de material.
TRATAMENTO TÉRMICO
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TERMOMECÂNICOPROPRIAMENTE TÉRMICO TERMOQUÍMICOS
Figura 2.3 - Esquema de classificação dos tipos de tratamentos térmicos dos metais e ligas, Novikov (1994)
Desta forma, os tratamentos térmicos, figura 2.3, são os processos mais propagados e
importantes na modificação das propriedades dos metais e ligas, nas indústrias de produção de
máquinas e semiprodutos. Suas aplicações não se dão somente em fases intermediárias do
8
processo produtivo (antes da usinagem, conformação, etc.), mas também nas operações finais,
cujo objetivo é dar ao metal ou liga um conjunto de propriedades mecânicas, físicas e químicas
que garantam as características necessárias a cada material.
Dentre as diversas definições, para Novikov (1994) “Tratamentos térmicos são os
processos de tratamento das peças de metais e ligas, através da ação do calor, com o objetivo de
modificar suas estruturas e propriedades em determinada direção.”
Conforme a Houghton (2000), “é uma operação ou combinação de operações que
envolvem o aquecimento e o resfriamento controlado de um metal em estado sólido com o
propósito de obter propriedades específicas.”
Vê-se que os tratamentos térmicos visam a modificação das estruturas e propriedades do
metal, ou liga, sujeito à ação do calor. Esta modificação, que poderá ser de forma a aumentar ou
diminui determinada propriedade, não deverá desaparecer após o tratamento, ficando intrínseca
ao material tratado.
Os tratamentos térmicos consistem, basicamente, em aquecer o material até uma
determinada temperatura e esfriá-lo sob condições específicas. Os mais comuns são o
recozimento, a têmpera e o revenido, figura 2.4.
Figura 2.4 – Tratamentos térmicos do aço, Colpaert (2000)
No recozimento, o aquecimento é executado até acima da zona crítica e o resfriamento é
feito lentamente. Visa, normalmente, restabelecer as propriedades mecânicas normais do
material, afetadas por um tratamento térmico ou mecânico anterior.
9
A têmpera, em geral, visa aumentar a dureza do material através do aquecimento até acima
da zona crítica, seguido de um resfriamento brusco.
Já o revenido busca reduzir os efeitos do acúmulo de tensões provocado pela têmpera,
melhorando a resistência ao choque, aumentando os limites de escoamento e de alongamento.
a) Crescimento de grãos e trabalho a quente
Quando se aquece um aço, fazendo-o atravessar a zona crítica, toda a perlita transforma-se
em austenita, dando origem a pequenos grãos. Com o tempo, esses grãos começam a crescer
através da migração de átomos de grãos menos estáveis, através dos contornos destes, de forma
mais rápida quanto maior for a temperatura.
Figura 2.5 – Deformações do aço acima e abaixo da zona crítica, Colpaert (2000)
A conseqüência provocada pela granulação grosseira é tornar o material quebradiço, pois a
coesão entre os grãos fica reduzida pela concentração de impurezas nos contornos, reduzindo
suas qualidades mecânicas.
10
Quando um aço apresenta grãos excessivamente grandes, devido a tratamentos térmicos,
diz-se que está superaquecido. Quando este superaquecimento ocorre próximo à linha solidus e o
aço apresenta oxidações nos contornos de grãos, diz-se que está queimado. No primeiro caso,
ainda é possível regeneração; no segundo, não.
A laminação, o forjamento, etc..., feitos a temperaturas acima da zona crítica reduzem o
tamanho de grão, forçando a recristalização, de forma que, terminada a operação, os grãos não
fiquem deformados e o aço perca suas propriedades plásticas, figura 2.5.
2.3 Têmpera
Dos tratamentos térmicos, merece particular interesse a têmpera do aço. Conforme Novikov
(1994) descobrimentos arqueológicos mostram que a têmpera de peças de aço ficou generalizada
desde os séculos V e VI a. C. e, na Idade Média, surgiram variadas operações tecnológicas como:
têmpera em líquidos, têmpera em corrente de ar, têmpera localizada de lâminas e outras.
A têmpera é considerada o principal método de endurecimento dos aços carbono e de baixa
liga, figura 2.6. É caracterizada pelo resfriamento brusco do aço a partir de uma temperatura
elevada (temperatura de austenitização) até a temperatura ambiente, cujo resultado é a
transformação da austenita em martensita.
No resfriamento lento através da zona crítica, temos:
• nucleação da ferrita, ou cementita;
• transformação da austenita em perlita lamelar à temperatura de 727 °C.
No entanto, na têmpera, devido ao resfriamento brusco, o que pode acontecer é, conforme
Colpaert (1974):
a) que a quantidade de ferrita, ou de cementita, nucleada inicialmente, diminua com o
aumento da velocidade de resfriamento, até que, acima de um certo limite, se anule, de modo que
o aço atinja a linha inferior da zona crítica ainda inteiramente austenítico;
11
b) que a austenita abaixo da linha inferior da zona crítica se transforme em perlita de
lamelas cada vez mais finas e mais próximas, quanto mais rápido for o resfriamento, chagando ao
ponto das lamelas se tornarem indiscerníveis ao microscópio comum;
c) que para velocidades de resfriamento ainda maiores, não ocorra transformação em perlita
e em temperatura mais baixas se forme um constituinte denominado ‘martensita’, que pode ser
considerado como uma solução sólida supersaturada e metaestável de carbono em ferro alfa, que,
devido a essa supersaturação, se apresenta com uma estrutura tetragonal de corpo centrado e não
cúbica de corpo centrado.
Figura 2.6 – Limites de resistência à tração e ao escoamento de aços normalizados e revenidos e
de aços temperados e revenidos, Totten (1993)
Apesar dos avanços tecnológicos, deve-se admitir, que durante a têmpera, o processo de
transferência de calor entre a peça e o meio refrigerante é muito complexo e varia de forma não-
linear com a temperatura, confirma Shuhui Ma e colaboradores (2003). Estes pesquisadores
12
verificaram que a temperatura e aspereza superficial, a geometria da peça, a orientação de
penetração da peça no meio de resfriamento e agitação do fluido afetam de forma significativa tal
transferência.
A distância atingida pelo endurecimento da peça, a partir da sua superfície em direção ao
centro, é a medida da efetividade da têmpera, ou seja, o percentual mínimo de martensita
conseguido em uma determinada profundidade serve como elemento de indicação da efetividade
do processo de têmpera, figura 2.7.
Figura 2.7 – Relação de dureza, percentual de carbono e quantidade de martensita (ASM
International – Metals handbook, 1991)
Utiliza-se a têmpera em peças que necessitem de grande limite de resistência e, quase
sempre, após esta, se faz necessário o complemento de um revenido para redução das tensões
acumuladas que tornam a peça frágil.
13
Os principais parâmetros da têmpera são a temperatura de aquecimento, o tempo de
exposição e a velocidade de resfriamento. A temperatura de aquecimento e o tempo de exposição
determinam a ocorrência ou não das modificações de fases necessárias, enquanto a velocidade de
resfriamento, inversamente, deve garantir que sejam evitadas tais transformações, bem como a
formação de um estrutura metaestável, fase martensítica para o aço, Novikov (1994).
Existem três tipos de têmpera: com e sem transformação polimórfica e com fusão
superficial. A primeira, com transformação polimórfica, é utilizada desde há muito tempo, antes
da nossa era até os dias atuais, em aços e ligas não ferrosas. A têmpera sem transformação
polimórfica é do limiar do século XX e a partir das décadas 20 e 30, e, juntamente com o
envelhecimento, transformou-se no principal processo de endurecimento das ligas à base de
metais não-ferrosos. O terceiro tipo surgiu na década de 70 e começou com a utilização de raios
laser pela indústria para aquecimento de peças, ainda tem utilização mais restrita que os outros
tipos.
2.4 Mecanismo de resfriamento
É importante conhecer os mecanismos de têmpera e os fatores que afetam o processo uma
vez que estes fatores podem ter uma significante influência na seleção do meio de resfriamento,
na severidade e no tipo deste.
A forma na qual se processa o resfriamento durante o processo de têmpera em água, óleo
ou solução aquosa de polímeros é similar, confirma Totten (1993), e ocorre em três estágios:
Cobertura de vapor – é caracterizado pela formação de uma camada (filme) de vapor em
torno do metal aquecido. Esta camada de vapor, figura 2.8, mantém-se enquanto a quantidade de
calor emanada do interior para a superfície da peça exceder a quantidade necessária para evaporar
o meio refrigerante e manter a fase de vapor. Este filme atua como um isolador e começa a
desaparecer quando a temperatura de Leidenfrost é atingida – temperatura na qual o vapor é
mantido. Conforme Totten (1993), a transição do estágio A para o B ocorre através de repetidas
ondas que atingem a superfície da peça nesta temperatura e independe da temperatura inicial da
14
peça. Este é um período de resfriamento relativamente lento, onde a transferência de calor ocorre
por radiação e condução através da camada de vapor.
Figura 2.8 – Primeiro estágio - cobertura de vapor sobre a peça em resfriamento, Houghton (2003)
Borbulhamento – caracteriza-se pela ebulição violenta na interface peça/meio. O eventual
colapso da camada de vapor provoca o contato do metal com o meio refrigerante provocando
altas taxas de transferência de calor e a evaporação do líquido, ocasionando o borbulhamento do
vapor, figura 2.9.
Figura 2.9 – Segundo estágio - ebulição do meio de resfriamento, Houghton (2003)
15
Resfriamento convectivo – neste estágio, a superfície do material está numa temperatura
inferior ao ponto de evaporação do meio refrigerante, que permite o total envolvimento pelo
meio. O resfriamento dá-se de forma convectiva sendo função da temperatura de ebulição do
meio de resfriamento. É o estágio de menor taxa de resfriamento, figura 2.10.
Figura 2.10 – Terceiro estágio – resfriamento convectivo, Houghton (2003)
Conforme Shuhui Ma (2002), as taxas de transferência de calor nestas regiões são
influenciadas por vários fatores, como: agitação, viscosidade, temperatura e severidade do meio
de resfriamento.
2.5 Diagramas de transformação isotérmica – diagramas TTT
Também conhecidos como diagrama IT (isothermal transformation), curvas em C, ou em S
e diagrama TTT (transformação – tempo – temperatura) são utilizados para identificar o tempo e
a temperatura em que ocorrem as diversas transformações no estado sólido dos aços, prevendo,
desta maneira, os constituintes resultantes e as conseqüentes propriedades do material, Höltz
(1992).
O diagrama TTT é um diagrama temperatura (ordenada) versus tempo (abscissa –
normalmente logarítmica), para temperaturas até a faixa da zona crítica do material, figura 2.11.
A primeira curva determina o tempo necessário para que a transformação da austenita se inicie; a
16
segunda, o tempo necessário para o término desta transformação. As temperaturas de 220 °C e
110 °C, no exemplo, indicam, respectivamente, o início e o término da transformação em
martensita, que ocorre de forma quase instantânea.
Figura 2.11 – Diagrama IT para o aço 1050, Askeland (2002)
As curvas TTT, conseqüentemente os diagramas IT, diferem de aço para aço. Em primeiro
lugar, pela representação da temperatura crítica superior; em segundo, pelo aparecimento de mais
uma curva, indicando o início da separação da ferrita (aços hipoeutetóides) ou da cementita (aços
hipereutetóides), quando estes entram na zona crítica durante o resfriamento lento; em terceiro, o
deslocamento das curvas para a direita (baixo teor de carbono) ou para a esquerda (alto teor de
carbono); e, em quarto, a variação da temperatura de início e fim da transformação martensítica.
Logo, para cada aço temos um diagrama TTT.
17
2.6 Diagrama de resfriamento contínuo - CCT
Embora de estudo simples, as transformações térmicas raramente ocorrem à temperatura
constante, isto é, as transformações que mais interessam são aquelas que ocorrem sob
resfriamento contínuo, com maior ou menor velocidade, desde a temperatura de austenitização
até a temperatura ambiente, como nos tratamentos térmicos de têmpera.
Os diagramas utilizados para a representação destas transformações recebem o nome de
diagramas de resfriamento contínuo (CCT), figura 2.12.
Figura 2.12 – Diagrama de resfriamento contínuo, aço 0,44% de carbono, Colpaert (2000)
2.7 Curvas de resfriamento
No processo de têmpera, as taxas de resfriamento devem ser rápidos o suficiente para
permitir a formação da microestrutura desejada, mas lenta o suficiente para evitar tensões
residuais e distorções.
18
As taxas de resfriamento são influenciadas pela difusividade térmica do material e pela
habilidade do meio de têmpera em remover o calor da superfície do material em teste.
As curvas das velocidades de resfriamento são representadas nos diagramas de
Transformação x Tempo x Temperatura (TTT) e nos de Transformação por Resfriamento
Contínuo (CCT) e são utilizadas para a identificação das condições requeridas para obtenção de
uma microestrutura particular, figura 2.13.
Figura 2.13 – Mecanismos de resfriamento, Totten (1993)
2.8 Transferência de calor durante a têmpera
Durante a têmpera, a transferência de calor do metal aquecido para o meio de resfriamento
é influenciada pelas características do meio e do metal. Estas variáveis são mais fortes em um
estágio, segundo, do que nos outros, daí a necessidade de estudar-se sua determinação conforme
estas fases.
O coeficiente de transferência de calor (h) durante o primeiro estágio do resfriamento pode
ser expresso como a soma do coeficiente de convecção (hc) e o coeficiente efetivo de radiação
19
(fhr), onde f é constante. Nesta fase o coeficiente de transferência de calor tem expressões
diferentes, conforme a orientação e a geometria da peça. Para peças planas com fluxo na
horizontal, Science e colaboradores citados por Shuhui Ma (2002) encontrou com boa
aproximação de resultados experimentais a seguinte equação:
( ) ( )
( ) ( )[ ] ⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
−
−= 21
'3
/425,0
GLCsatWG
GLGfgGc ggTT
gHkh
ρρσµρρρ
(2.1)
Que pode ser expressa na forma geral como:
( ) ( ) ( )
41'41*425,0
fsatWpG
fgfBfB TTc
HRaNu
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−= (2.2)
Onde: ( )G
cB k
BhNu =
( )
21
23
**
)(
)(
Pr
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=
=
GL
c
G
GpG
G
GLG
GBB
gg
B
kcgB
GrRa
ρρσ
µ
µρρρ
f subscrito significa que a propriedade física do vapor é tomada a pressão
pL e temperatura Tf.
Para um cilindro na horizontal, Sciance e colaboradores (1967) sugerem:
( )( ) ( )
267,0'267,0
2
*
369,0fsatWpG
fg
fr
BfB TTc
H
TRa
Nu⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= (2.3)
Estas equações demonstram que o coeficiente de transferência de calor no primeiro estágio
é função de muitos fatores como a viscosidade da camada de vapor e do meio refrigerante, tensão
superficial, a densidade do filme de vapor e do meio, do calor latente e do específico.
20
Para o segundo estágio, de acordo com Benjamim & McAdams citados por SHUHUI MA,
2003), o calor removido é considerado como resultado dos seguintes mecanismos:
• calor absorvido pela evaporação da microcamada (qME);
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅=
ANHtJaArBq fglglME ραπγφ 2327,02
10 (2.4)
onde: N/A é a densidade local da nucleação.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
plll
psss
CkCk
ρρ
γ
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=2
1D
Ddφ , e Dd é o diâmetro da área seca sob a bolha.
( )
Gfg
bwLp
HTTc
Jaρ
ρ −=
( ) ( ) 232 gvgAr ll ρρ⋅=
• energia calorífica gasta na reformação da camada limite térmica (qR);
( )satww
plllR TTa
AN
tCk
q −⋅⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
πρ
2 (2.5)
• calor transferido pela convecção natural turbulenta (qNC).
( ) ( )satwl
NC TTaANGr
Lk
q −⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⋅= 1Pr
14,0 31 (2.6)
Observa-se que a viscosidade cinemática, a densidade, o calor específico, o calor latente, a
temperatura entre o metal e o meio, a tensão superficial e a condutividade térmica são as
variáveis que influenciam a transferência de calor neste estágio.
No terceiro estágio, tem-se a transferência de calor através de convecção natural do líquido
refrigerante. Churchill (1983) sugere a seguinte equação para o cálculo do calor transferido:
21
( )261Pr)(331,0 LL GrbaNu += (2.7)
Onde: ( )[ ] 278169Pr5,01
17,1
+=b
2
3)(v
xTTgGr w
x∞−
=β
L
pL k
vc=Pr
a – constante empírica que varia com a geometria.
Neste estágio, o coeficiente de transferência de calor pode ser relacionado com a
viscosidade cinemática, o calor específico, a condutividade térmica, o coeficiente de expansão
térmica, a diferença de temperatura entre o metal e o líquido e a distância da margem principal da
camada limite formada na superfície aquecida.
Como visto, muitas variáveis influenciam no cálculo do coeficiente de transferência de
calor durante o processo de têmpera. Algumas destas propriedades são de difícil obtenção. Uma
forma aproximada proposta por Mills (1999) e válida para número de Biot muito menor que 0,1,
e´:
dtdTTVCTTAh pcc /)()( ρ=−− (2.8)
onde: hc – coeficiente de transferência de calor médio sobre a área da superfície,
W/m2 –K
A – área superficial, m2
T – temperatura da superfície, °C
Tc – temperatura do meio refrigerante, °C
ρ – densidade, kg/m3
22
V – volume
Cp – calor específico, J/kg °C
dT/dt – diferencial de temperatura.
Assumindo que a área superficial, densidade, calor específico e volume são constantes,
temos:
)()( epc TTdtdTTC
AVh −= ρ (2.9)
Para uma amostra cilíndrica, temos:
22
2 rHrHr
AV
=⋅⋅
=π
π (2.10)
onde: H – altura do corpo de prova; e,
r – raio do corpo de prova.
2.9 Temperabilidade
A temperabilidade é uma propriedade das ligas ferrosas de se transformarem
substancialmente em martensita a uma velocidade de resfriamento chamada crítica, a partir de
uma temperatura elevada, ou seja, é a susceptibilidade ao endurecimento por têmpera.
A temperabilidade indica a capacidade do material ser transformado parcial ou totalmente,
da fase austenítica para alguma porcentagem de martensita em uma dada profundidade, quando
resfriado sob determinadas condições Siebert citado por Patrocínio (1999).
Conforme Bain & Paxton citados por Souza (1982), a existência de grãos finos de austenita
e inclusões não dissolvidas (carbonetos ou nidretos e materiais não-metálicos) diminuem a
temperabilidade, enquanto a presença de elementos dissolvidos na austenita (exceto cobalto),
grãos grossos e uma grande homogeneidade da austenita aumentam a temperabilidade.
23
Os métodos mais comuns de avaliação da temperabilidade dos aços são:
teste de temperabilidade de Grossmann;
teste de temperabilidade de Jominy (NBR 6339, ASTM A255 ou SAE J406a); e,
análise de curvas de resfriamento.
a) Teste de temperabilidade de Grossmann
Consiste na avaliação da temperabilidade pela variação da dureza na seção de barras
circulares de diâmetros crescentes, temperados em um determinado meio. O centro das barras
levarão maior tempo de resfriamento à medida que cresce o diâmetro das mesmas, sendo que
para a barra cuja proporção de martensita situar-se em 50%, no seu centro, esta corresponderá ao
diâmetro crítico.
A metodologia do teste é:
a) determinação do tamanho de grão austenítico ASTM;
b) determinação da composição química;
c) determinação da temperabilidade básica;
d) determinação dos fatores de liga; e,
e) cálculo do diâmetro crítico ideal através da relação:
peso) em (% )(%47,1)(%275,3)(%40,1)(%21,2 NiMoSiMnDD ici ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= (2.11)
Este método vale somente para um determinado meio, havendo a mudança deste, serão
necessárias novas medidas, confirma Sousa (1982).
b) Teste de temperabilidade Jominy
Apesar de mais precisos, os testes de Grossmann são de alto custo e de pequena realização,
confirma Patrocínio (1999). Jominy e Goegehold desenvolveram um método mais barato, de
maior simplicidade e rapidez de execução.
24
Conhecido como ensaio Jominy, consiste na têmpera de um corpo de prova padronizado
através do resfriamento de uma de suas extremidades por meio de um jato refrigerante. Desta
forma, a velocidade de resfriamento diminui ao longo do comprimento do provete, resultando em
diferentes valores de dureza, que decrescem da ponta à outra extremidade.
c) Velocidade crítica de resfriamento
É definida como a taxa na qual a formação de perlita ou bainita é evitada, ou seja, a
estrutura formada é inteiramente martensítica, durante a têmpera.
Patrocínio (1999) diz que há grande discrepância e confusão nas fórmulas presentes na
literatura para calcular as velocidades críticas de resfriamento, optando para a análise dos
resultados nos ensaios de resfriamento por:
curvas de dureza em U; e,
ensaio Jominy e curvas de correlacionamento.
Neste trabalho adotar-se-á metodologia semelhante, uma vez que esta já se demonstrou
adequada e suficiente para garantir a exatidão dos resultados.
2.10 Severidade de têmpera
A performance de um meio de têmpera pode ser caracterizada pela habilidade deste em
extrair calor de uma peça. Normalmente é avaliada através da medição da dureza da superfície da
amostra resfriada ou pela medição de dados de tempo e temperatura em locais predefinidos da
peça. A segunda forma é a mais utilizada atualmente, sendo os dados desta utilizados para
estimar a severidade de têmpera, os chamados índices de severidade, tais como: potência de
endurecimento (HP), Índice Castrol (CI), valores em V, fator de têmpera (QFA) e fator de
severidade de têmpera (H). Todos estes índices podem ser relacionados à dureza da peça
temperada confirma Shuhui Ma e colaboradores (2003).
25
a) Potência de endurecimento (HP)
Desenvolvido na Suécia para testar óleos. O valor HP é calculado pela fórmula, Shuhui Ma
(2002):
cpvp TCRTHP 85,388,1034,15,91 −++= (2.12)
onde: Tvp – temperatura de transição entre o primeiro e segundo estágio do
resfriamento;
CR – taxa de resfriamento para a faixa de 500 a 600 °C
Tcp – temperatura de transição entre o segundo e o terceiro estágio do
resfriamento.
b) Valores V
Os valores V foram desenvolvidos para determinar a severidade de óleo. A vantagem deste
é que ele inclui as características de transformação do aço através das curvas de resfriamento. São
especificados pela equação, Shuhui Ma (2002):
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
−−=
fs
dcTT
TTV (2.13)
onde: Tc – temperatura na qual inicia o segundo estágio do resfriamento, em °C;
Td – temperatura na qual inicia o terceiro estágio do resfriamento, em °C;
Ts – temperatura na qual inicia a transformação martensítica, em °C;
Tf – temperatura na qual termina a transformação martensítica, em °C.
c) Fator de análise de têmpera
Relaciona a forma da curva de resfriamento com a dureza do material temperado. É
calculado através da determinação da temperatura média entre os pontos da curva de
resfriamento. Pode-se utilizar a equação, Shuhui Ma (2002):
26
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−⋅
⋅⋅−=RTK
ExpTKRT
KKExpKKCT
52
4
243
21 )( (2.14)
Onde: CT – Tempo necessário para formar uma quantidade constante de uma nova
fase ou reduzir a dureza a um valor específico;
K1 a K5 – constantes
R = 8.3143 J/K mol
T – temperatura absoluta, em K
O fator de têmpera é calculado para cada ponto da curva de resfriamento por:
iT
if C
tq
∆= (2.15)
Onde ∆t é o tempo de cada amostra de dados da curva de resfriamento.
O somatório destes fatores pontuais, na faixa entre as temperaturas de austenitização até o
início da transformação martensítica, dá o fator de têmpera, ou seja:
∑∑=
=
∆==
3ArT
MT T
iff
s iC
tqQ [2.16]
Entre as vantagens do fator de análise de têmpera (QFA), estão:
• Descrever a severidade através de um simples número;
• Ser relacionado à dureza obtida no produto;
• Não necessitar de interpretações intermediárias nem a consulta de tabelas;
Como desvantagem cita-se a baixa quantidade de material já publicado sobre tais
coeficientes.
27
d) Fator de severidade de têmpera
Classifica a severidade do meio sob a forma de um número. É determinado
experimentalmente através da têmpera de uma série de barras redondas de um determinado aço.
Assumindo-se que 50% de martensita representa uma microestrutura temperada, a relação entre o
diâmetro máximo onde ocorre a presença de martensita neste percentual (Du) e o diâmetro da
peça (D), isto é DDu / , dividido pelo valor correspondente do produto severidade x diâmetro
(HD), poderá ser interpretado através do gráfico DDu , figura 2.14.
Figura 2.14 – Taxa de Du/D em função do diâmetro da barra para barras de aço 3140 temperadas
em água e óleo, Krauss (1990)
Tabela 2.1 – Severidade de têmpera de vários meios de têmpera (ASM International – Metals
handbook, 1981)
Ar Óleo Água Salmoura Sem agitação ou circulação 0,02 0,25 a 0,30 0,9 a 1,0 2 Agitação ou circulação moderada - 0,3 a 0,40 1,0 a 1,3 2 a 2,2 Boa agitação - 0,4 a 0,5 1,4 a 1,5 - Agitação forte 0,05 0,5 a 0,8 1,6 a 2,0 - Agitação violenta - 0,8 a 1,1 4 5
28
e) Análise das curvas de resfriamento
Vários métodos têm sido desenvolvidos para simplificar o dimensionamento do fator de
têmpera. A análise das curvas de resfriamento tem sido geralmente aceita como a mais
importante maneira de descrever o mecanismo de têmpera, afirma Shuhui Ma (2003). O estudo
das curvas de resfriamento são particularmente sensíveis aos fatores que afetam a habilidade do
meio refrigerante em extrair calor, assim como: o tipo de meio, suas propriedades físicas,
temperatura do banho e agitação deste.
Idealmente, a análise das curvas de resfriamento induz à comparação com as propriedades
físicas de interesse no processo de têmpera. Um método de uso mais generalizado é encontrar a
primeira derivada da curva tempo-temperatura obtida e identificar a taxa de resfriamento máxima
para aquele meio de refrigeração. Uma outra análise viável é a comparação destas curvas de
resfriamento com os diagramas CCT, tornando possível identificar as taxas de resfriamento
máxima e crítica para o meio refrigerante/material a temperar.
Uma outra possibilidade de análise citada por Totten (1993), e utilizada neste trabalho,
consiste em determinar as taxas de resfriamento a 705 e 205 °C, a taxa de resfriamento máxima e
o tempo necessário para resfriar-se a amostra de 730 a 260 °C. Os motivos indicados para estas
escolhas são os de que as taxas de resfriamento a 705°C devem ser maximizadas para que se evite
a região de transformação da perlita e, para 205 °C, esta taxa deve ser minimizada para evitar as
tendências de deformação, haja vista ser esta a temperatura do início da transformação da
martensita (Ms) de muitos aços. Também, é desejável que o tempo de resfriamento entre 730 e
260 °C seja minimizado de forma a garantir a formação da perlita, otimizando o limite de
resistência do material.
Liscic citado por Shuhui Ma (2002) demonstrou que integrando a área sob a curva da taxa
de resfriamento pode-se obter uma correlação forte entre esta e a dureza. Thelning, citado por
pelo mesmo autor, descreve método semelhante utilizando a área entre as temperaturas de 300 e
600 °C.
Outros relacionamentos das curvas de resfriamento possíveis são os índices: fator de
severidade de Grossmann (H), valores V de Tamura, índice Castrol, potência de endurecimento
(HP), dentre outros, de menor utilização.
29
Capítulo 3
Materiais e Métodos
3.1 Materiais
Os materiais utilizados neste estudo foram os aços ABNT 1045 e 8620 e 8640, cuja
composição química nominal é (tabela 3.1):
Tabela 3.1 – Composição química nominal dos aços 1045, 8620 e 8640 (ABNT, SAE, AISI)
C Mn Pmáx Smáx Si Ni Cr Mo
ABNT 1045
0,43 a 0,50 %
0,60 a 0,90 % 0,030% 0,050% – – – –
ABNT 8620
0,18 a 0,23%
0,70 a 0,90 % 0,030% 0,040% 0,15 a
0,35 % 0,40 a 0,70 %
0,40 a 0,60%
0,15 a 0,25 %
ABNT 8640
0,38 a 0,43%
0,75 a 1,00 % 0,030% 0,040% 0,15 a
0,35 % 0,40 a 0,70 %
0,40 a 0,60%
0,15 a 0,25 %
As barras foram adquiridas no comércio de São Luís – MA e de São José dos Campos - SP,
em barras cilíndricas de 1” e 1 1/4" de diâmetro e, conforme certificação, com autenticidade e
composição garantidas.
30
As barras foram cortadas em pedaços menores, cerca de 1 m, e levadas para a oficina do
NUTENGE/UEMA para usinagem. Foram preparados, além das amostras para os ensaios de
têmpera, os corpos de prova para o teste Jominy.
3.2 Meios
Para executar o resfriamento dos corpos de prova e promover a agitação do meio
refrigerante, conseqüentemente alterando a severidade e o estado de movimentação deste, foi
construído o dispositivo, figura 3.1, a seguir esquematizado.
0 1
0 2
0 3
0 40 50 60 70 80 90 100
0 1
0 2
0 3
0 40 50 60 70 80 90 100
RPM
Timer
Motor CC
Chaves de controle
TANQUE
Sensor derotação
Hélice
Figura 3.1 – Bancada para agitação do meio de refrigeração
O sistema é composto de um tanque com capacidade de 70 litros, um motor de corrente
contínua com sensor de rotação preso ao seu eixo, uma hélice e componentes eletroeletrônicos de
controle.
31
Para determinar a rotação do motor, acopla-se um osciloscópio à saída do sensor
magnético, instalado em seu eixo, para capturar o período de rotação deste, conforme figuras 3.1
e 3.2. A rotação é dada por:
⎩⎨⎧
=segundos em período - TRPM em rotação - R
:,60 ondeT
R [3.1]
Na coleta e armazenamento dos dados de temperatura foi utilizado um sistema de aquisição
de dados da Linx, composto por módulo condicionador de sinais MCS 1000 V2 e placa de
conversão analógico/digital CAD 12/32 (vide anexo 1 – relatório de calibração) e, como sensores,
termopares tipo K (chromel – alumel) padrão, faixa 0 a 1260 °C, com pote liso, proteção em aço
inox 310S, 1,5 mm de diâmetro, montados a 4 milímetros de profundidade na amostra, figura 3.3.
~220 V
T
M
S1
T1
R1
P1
2
3
5
D1
D2
C1Sw1
Componentes:
S1 – Chave geral T – Temporizador D1/D2 – Diodos
T1 – Transformador 220/9V M – Motor C1 – Capacitor eletrolítico
Sw1 – Sensor magn. rotação R1 – Resistor variável P1 – Ponte retificadora
Figura 3.2 – Diagrama elétrico da bancada de agitação do meio
32
O forno utilizado foi o Brasimet tipo K400, 18,7 kW, temperatura máxima de 1300 °C do
Laboratório de Materiais e Ensaios Mecânicos da Universidade Estadual do Maranhão.
Condicionadorde sinais
MCS1000V2
Placa conversoraanalógico/digital
CAD 12/32Microcomputador Drive de disquete
Monitor
Impressora
Figura 3.3 – Esquema do sistema de medição, monitoração e registro de temperatura
3.3 Métodos
Os trabalhos laboratoriais seguiram etapas definidas, da preparação das amostras à
digitalização dos resultados. Na figura 3.4 ilustra-se estas etapas e a seqüência em que ocorreram.
Figura 3.4 – Metodologia de desenvolvimento do trabalho
a) Corte e usinagem das amostras e corpos de prova Jominy
No Laboratório de Usinagem da UEMA, as barras de 1" de diâmetro foram usinadas,
rebaixado o diâmetro, até 25 mm e seccionadas em comprimentos equivalentes a cinco vezes este
33
diâmetro, 125 mm, com a finalidade de simular corpos de prova de dimensões semi-infinitas em
termos de transmissão de calor, conforme Patrocínio (1999). Foram preparados 75 corpos de
prova, isto é, 30 de aços 1045, 30 de 8620 e 15 do aço 8640. Também foram torneadas destas
barras e das de 1 1/4" os corpos de prova para o ensaio Jominy, num total de 12, em
conformidade com a norma ABNT 6339, e mais 9 amostras para os ensaios preliminares.
b) Tratamento térmico – têmpera preliminar
Um ensaio prévio foi realizado com a finalidade de produzir amostras para os ensaios de
dureza e execução do teste Jominy. O aquecimento foi executada em forno elétrico a uma
temperatura de austenitização de 840 ºC, com tempo de permanência de 1 hora. O resfriamento
foi executado em água parada (circulação mínima para evitar a estagnação), moderadamente
agitada (550 rpm) e severamente agitada (900 rpm), ver figura 3.5, com a peça sendo mergulhada
com seu eixo na horizontal e o termopar na parte superior.
Sem agitação Agitação moderada Agitação violenta
Figura 3.5 – Meio de resfriamento sem agitação, agitação moderada e com agitação violenta
Estas amostras, devidamente identificadas, foram temperadas e levadas ao laboratório para
a realização dos ensaios prévios.
c) Ensaio de temperabilidade Jominy
Ensaios realizados no Laboratório de Materiais e Ensaios Mecânicos da UEMA em
conformidade com a NBR 6339. Teve como objetivo identificar a temperabilidade do material
34
trabalhado, estimar composição do material e avaliar a profundidade de inserção dos termopares
para captura das temperaturas durante o resfriamento.
Foi utilizado o aparelho para determinação da temperabilidade Jominy do Laboratório de
Metalografia e Ensaios Mecânicos da UEMA, fabricado conforme a NBR 6339, com bico A,
flange A1 para corpos de prova de 25,5 mm na realização do ensaio. Em seguida os corpos foram
retificados 0,5 mm em cada face para a realização de medição da dureza nestas faces.
d) Ensaios de dureza
Também realizados no Laboratório de Metalografia e Ensaios Mecânicos da UEMA,
possibilitaram o levantamento do perfil de dureza das seções médias dos corpos de provas. Estes
dados, plotados em curvas de distribuição de dureza, evidenciaram a região de transição da
mudança de fase, confirmando a profundidade de endurecimento e, permitiram a avaliação da
eficiência do processo de têmpera.
Após seccionadas e lixadas, as amostras foram testadas utilizando-se o durômetro Pantec
RBS, modelo RBS-M, do Laboratório de Metalografia e Ensaios Mecânicos da UEMA, na escala
Rockwell C, ponta de diamante e carga de 150 kg, tempo de aplicação de carga automatizado. Os
dados foram plotados e estão expostos em curvas em “U”, no item durezas dos materiais – curvas
U.
f) Furação, inserção dos termopares e solda da proteção
Os testes preliminares indicaram uma profundidade de 4 mm como ideal para medição das
temperaturas de resfriamento dos corpos de prova. A furação foi executada logo após a usinagem
dos corpos de prova e consistiu em abrir um furo de 1,5 mm de diâmetro por 4 mm de
profundidade utilizando-se broca de aço rápido. Para garantir a exatidão do furo foi utilizado um
relógio comparador montado em uma base magnética rígida, fixada à mesa da furadeira e apoiada
no porta mandril.
A fixação do termopar na cavidade foi executada manualmente, por interferência peça-furo.
O assentamento da ponta do termopar na peça foi garantido através de solda elétrica por descarga
capacitiva.
35
Externamente, em volta do termopar, foi soldado à peça um tubo de aço inoxidável de 1/4"
de diâmetro com a finalidade de proteger o sensor durante a realização do ensaio.
g) Levantamento das curvas de resfriamento
Para o levantamento das curvas de resfriamento utilizou-se termopares tipo K, faixa de
operação de 0 a 1260 ºC, interfaceados a um microcomputador através de um condicionador de
sinais e uma placa conversora analógico-digital da Linx, e software compatível (Aqdados 5.0).
Inseridos e fixados à peça na profundidade de 4 mm, equivalente à região de transição com 50%
de martensita, determinada pelos ensaios de dureza, os termopares foram protegidos por tubos de
aço inoxidável, soldados à amostra.
Definiu-se taxa de amostragem em 10 Hz e optou-se por utilizar amostras de aços vendidos
no comércio em vez de sistemas comerciais já prontos.
h) Levantamento das taxas de resfriamento
Uma vez determinada a temperabilidade do material e suas regiões de transição, as
amostras foram levadas ao forno, aquecidas até 840 °C, mantidas nesta temperatura por cerca de
uma hora e, posteriormente, resfriadas bruscamente. As temperaturas, durante o resfriamento das
amostras foram coletadas pelo sistema de aquisição de dados e plotadas em gráficos tempo-
temperatura.
A partir das curvas de resfriamento, através da derivação destas, obteve-se as curvas das
taxas de resfriamento para cada caso.
36
Capítulo 4
Resultados e Discussão
4.1 Temperabilidade dos materiais – Ensaio Jominy
Os ensaios de temperabilidade Jominy (NBR 6339) dos materiais utilizados são
apresentados nas figuras 4.1, 4.2 e 4.3.
Figura 4.1 – Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza
para o aço ABNT, SAE, AISI 1045
37
Figura 4.2 – Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza
para o aço ABNT, SAE, AISI 8620
Figura 4.3 – Valores obtidos no ensaio Jominy sobrepostos aos valores admissíveis de dureza
para o aço ABNT, SAE, AISI 8640
38
Como se pode observar, as figuras evidenciam que os aços trabalhados encontram-se dentro
dos valores de dureza esperados, conforme valores SAE/AISI 1045H, figuras 4.1, 4.2 e 4.3, o que
caracteriza estes materiais como representativos de sua classe de composição química.
4.2 Dureza dos materiais – curvas U
Os materiais foram testados e apresentam os seguintes valores (tabela 4.1):
Tabela 4.1 – Dureza inicial dos materiais
Material Dureza(HRc)
Aço 1045 29
Aço 8620 14
Aço 8640 27
Após a têmpera, os valores de dureza dos materiais deixam de ser iguais em toda a seção da
barra para assumir um perfil de maior dureza na periferia e menor no centro desta. Para o caso do
aço 1045 temperado em água, sem agitação do meio de resfriamento, temos o seguinte mostrado
na figura 4.4
Figura 4.4 – Medidas de dureza na seção transversal do aço 1045, temperado sem agitação do
meio de resfriamento
39
Pela figura anterior nota-se que somente até a distância 10,33 mm do centro da peça, temos
dureza igual ou superior a 40 HRc. Na profundidade de 4,00 mm da superfície da peça (12,50 –
4,00) temos uma dureza de 33 HRc.
Para o aço 8620 temos o perfil mostrado na figura 4.5. Neste caso, aço 8620 temperado em
água, pode-se afirmar que a têmpera é total e atinge valores próximos a 43 HRc. Para este aço,
qualquer profundidade de inserção dos termopares poderá ser utilizada para o levantamento das
curvas de resfriamento.
Figura 4.5 – Medidas de dureza na seção transversal do aço 8620, temperado em água, sem
agitação do meio de resfriamento
O perfil para o aço 8640 é detalhado na figura 4.6. Também, conforme se pode notar, a
têmpera é total para o aço 8640 e a profundidade poderá ser escolhida à vontade.
Após a análise dos perfis de dureza obtidos através da têmpera dos aços utilizando meio de
resfriamento sem agitação optou-se por uma profundidade de inserção do termopar de 4,00 mm a
partir da superfície do corpo de prova.
40
Figura 4.6 – Medidas de dureza na seção transversal do aço 8640, temperado em água, sem
agitação do meio de resfriamento
4.3 Curvas e taxas de resfriamento
4.3.1 Aço 1045
Apresenta-se na figura 4.7 as curvas de resfriamento obtidas na têmpera do aço ABNT
1045, sem a agitação (SA), com agitação moderada (AM) e violenta (AV) do meio refrigerante.
Analisando estas, se pode notar que para uma redução de temperatura de 730 para 260 °C, são
necessários 9,66 segundos, sem agitação, 7,26 segundos, com agitação moderada e 6,89
segundos quando a agitação do meio foi violenta.
Com o aumento da agitação do meio refrigerante nota-se uma redução do tempo necessário
para resfriar a amostra na faixa de 730 a 260°C de 24,84%, no caso de agitação moderada, e de
28,67% para meio violentamente agitado.
No resfriamento sem agitação do meio, figura 4.8, verifica-se uma taxa de resfriamento
máxima de 68,28 °C/s, ocorrendo a 661,73 °C. Para as temperaturas de 705°C e 205°C as taxas
de resfriamento são, respectivamente, 84,71 e 29,66 °C/s.
41
Figura 4.7 – Curvas de resfriamento do aço ABNT 1045 temperado em água sem agitação (SA),
com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento
Figura 4.8 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água sem agitação do meio
refrigerante
42
Figura 4.9 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água com agitação
moderada do meio refrigerante
Para a têmpera utilizando agitação moderada do meio tem-se uma taxa de resfriamento
máxima de 87,16 °C/s que ocorre à temperatura de 661,73 °C. Na temperatura de 705 °C, a taxa
de resfriamento é de 84,71 °C/s e de 29,66 °C/s, na temperatura de 205 °C, figura 4.9.
Já no resfriamento com agitação violenta atinge-se taxa máxima de 143,45 °C/s a 668,68
°C, figura 4.10; a taxa de resfriamento é 139,36°C/s a 705 °C e 28,56 °C/s a 205 °C.
No caso da taxa máxima de resfriamento, com o aumento da agitação, tem-se um aumento
de 27,65% para o caso de agitação moderada e de 110,09% no caso da agitação violenta do meio,
relativo ao caso em que não há agitação. No caso do aumento de agitação, da moderada para a
violenta, a taxa máxima aumenta em 64,58%.
Para a têmpera em salmoura utilizou-se solução de 10% de cloreto de sódio, sal das marcas
Azteca e Nota Dez, moídos e iodados, numa relação de 107,1 g/l. As curvas de resfriamento,
figura 4.11, demonstram que foram necessários 7,81 segundos para resfriar as amostras de 730°C
43
a 260°C, no caso de meio sem agitação; 7,22 segundos no caso de agitação moderada; e 7,11
segundos no caso de agitação violenta.
Figura 4.10 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em água com agitação
violenta do meio refrigerante
Pode-se verificar que o aumento da agitação do refrigerante reduz o tempo em 7,55%
quando se sai do estado sem agitação para o com agitação moderada; e de 8,96% quando se vai
do meio sem agitação para o de agitação violenta, para peças temperadas em salmoura. A redução
do tempo é de 19,15% para a troca do meio, água por salmoura, para o estado sem agitação,
0,55% para o com agitação moderada e de 3,19% no caso de agitação violenta.
44
Figura 4.11 – Curvas de resfriamento do aço ABNT 1045 temperado em salmoura, sem agitação
(SA), com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento
Já no caso das taxas de resfriamento, a influência provocada pelo aumento da severidade
foi destacado: enquanto na têmpera com água a taxa máxima atingida foi de 68,28 °C/s para
resfriamento sem agitação, na têmpera com salmoura, para o mesmo estado de agitação, obteve-
se uma taxa de resfriamento máxima de 118,31 °C/s, 73,27% maior em relação àquela em água.
No primeiro caso, sem agitação do meio refrigerante, a taxa de resfriamento máxima,
figura 4.12, atingida nos ensaios foi de 118,31 °C/s e ocorre na temperatura de 709,35°C. Para as
temperaturas de 705°C e 205°C tem-se, respectivamente, as taxas de 118,28 e 16,69 °C/s.
45
Figura 4.12 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045, temperado em salmoura sem agitação do
meio refrigerante
Figura 4.13 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045 temperado em salmoura com agitação
moderada do meio refrigerante
46
Durante os testes com meio moderadamente agitado, obteve-se taxa máxima de 137,31
°C/s à temperatura de 686,17 °C e taxas de 136,51 °C/s e 23,95 °C/s nas temperaturas de 705 °C
e 205°C, respectivamente. Nota-se, deste primeiro acréscimo da agitação, uma elevação na taxa
máxima, atingida durante o resfriamento, de 16,06% em relação ao caso em que não há agitação
do meio, figura 4.13.
Figura 4.14 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 1045 temperado em salmoura com agitação
violenta do meio refrigerante
Aumentando-se ainda mais a agitação, caso de agitação violenta, figura 4.14, nota-se um
aumento na taxa máxima de resfriamento, que atinge 138,82 °C/s na temperatura de 683,97 °C.
Em relação à situação em que não há agitação do meio, este aumento representa um acréscimo de
17,34% e de 1,10%, relativamente ao caso em que há agitação moderada do meio. Para a
temperatura de 705 °C obteve-se uma taxa de 137,62 °C/s e para a de 205 °C uma taxa de
resfriamento de 23,70 °C/s.
Pode-se notar, ainda, que a mudança da severidade do meio, água, severidade 1, tabela 2.1,
para salmoura, severidade 2, representa uma redução de 19,15% no tempo de resfriamento para o
47
intervalo de temperaturas compreendido entre 730 °C e 260 °C, e um aumento na taxa máxima de
resfriamento de 73,27%, nos casos de têmpera sem movimentação do fluido refrigerante e,
57,54% para àquele com agitação moderada. Para os demais, o aumento da severidade de
têmpera pela troca do refrigerante não representa ganhos expressivos nos tempos ou nas taxas de
resfriamento para o aço 1045.
4.3.2 Aço 8620
Na figura 4.15 são apresentadas as curvas de resfriamento para o aço ABNT 8620,
temperado em água, meio sem agitação, com agitação moderada e agitação violenta.
Embora seja um aço especificado para têmpera em óleo, optou-se pela água como meio de
resfriamento, para que se tenha um comparativo com os demais aços utilizados.
Figura 4.15 – Curvas de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água, sem agitação
(SA), com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio de resfriamento
48
Analisando a figura 4.15 verifica-se que os tempos de resfriamento para a faixa de 730 °C
a 260 °C são de 2,88 segundos para o caso em que não se agita o meio, 2,29 segundos para
aquele em que movimenta-se moderadamente o líquido de resfriamento e de 1,99 segundos para
agitação violenta do refrigerante.
Confirma-se, ainda pela figura 4.15, uma diminuição no tempo de resfriamento das
amostras de 20,49% quando se passa o meio de um estado sem agitação para um de agitação
moderada, e de 30,90% quando o meio está violentamente agitado. Já a mudança da agitação
moderada para a agitação violenta representa uma diminuição de 13,10% no tempo de
resfriamento do primeiro estágio de agitação para o segundo.
Figura 4.16 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água sem agitação do
meio refrigerante
A análise da curva da taxa de resfriamento para a têmpera do aço ABNT 8620 demonstra
que a taxa de resfriamento máxima atingida foi de 224,67 °C/s, na temperatura de 483 °C no caso
de têmpera com meio não agitado, figura 4.16. Na temperatura de 705°C, a taxa situa-se em
137,40 °C/s, e 22,32 °C/s, na temperatura de 205 °C.
49
Para meio moderamente agitado, a taxa máxima de resfriamento é de 306,54 °C/s e ocorre
a 522,49 °C. Na temperatura de 705 °C tem-se uma taxa de 232,83 °C/s e a 205 °C é de 23,33
°C/s, figura 4.17.
Figura 4.17 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água com agitação
moderada do meio refrigerante
Figura 4.18 – Taxa de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em água com agitação
violenta do meio refrigerante
50
Nos testes com agitação violenta do meio de resfriamento obteve-se taxa máxima de
resfriamento, figura 4.18, de 450,36 °C/s na temperatura de 604,77 °C; taxa de 347,97 °C/s à 705
°C; e de 36,45 °C/s à 205 °C.
Ainda, como tentativa de aumentar a amostra e precisão dos dados, experimentou-se a
têmpera do aço 8620 em salmoura à 10%, semelhante àquela utilizada nos ensaios do aço ABNT
1045, mas os resultados obtidos não permitiram análise precisa dos tempos e taxas de
resfriamento na forma requerida por este trabalho. Mostra-se, a título de ilustração, na figura
4.19, as curvas de resfriamento obtidas durante estes testes, porém, ressaltando, não serão feitas
análises ou conclusões sobre estes.
Figura 4.19 – Curva de resfriamento do aço ABNT 8620, temperado em salmoura, sem agitação
(SA), com agitação moderada(AM) e agitação violenta (AV) do meio refrigerante
4.3.3 Aço 8640
O aço ABNT 8640 é um aço liga de alta temperabilidade e muito utilizado na fabricação de
virabrequins, eixos, engrenagens, bielas e outros elementos de máquinas. Também, como no caso
51
anterior, apesar da especificação indicar têmpera em óleo, utilizou-se água como meio de
refrigeração, para se poder comparar os dados já obtidos nos outros ensaios realizados com este
refrigerante.
Conforme se pode notar pela figura 4.20, o resfriamento para este material ocorre muito
bruscamente, em menos de 2 segundos, confirmando a alta temperabilidade do material.
Figura 4.20 – Curva de resfriamento do aço ABNT 8640 temperado em água, sem agitação (SA),
com agitação moderada (AM) e agitação violenta (AV) do meio refrigerante
No teste com meio não agitado, o tempo de resfriamento de 730 °C para 260 °C foi de 1,66
segundos; naquele utilizando meio moderadamente agitado, o tempo necessário foi de 1,53
segundos; e, no terceiro teste, com agitação violenta do meio, o tempo requerido foi de 0,61
segundos.
O aumento da agitação do meio, conforme se pode notar, representou uma diminuição de
7,83% e 63,25% nos tempos de resfriamento com agitação moderada e violenta, respectivamente,
52
em relação ao resfriamento sem agitação do meio refrigerante. Já para o caso de acréscimo de
agitação, de moderada para violenta, esta diminuição foi de 60,13 %.
Na comparação dos tempos de resfriamento dos aços 8620 e 8640 pode-se verificar uma
redução superior a 33% dos tempos necessários ao resfriamento na faixa 730-260°C do aço 8640.
Esta diminuição confirma a influência do percentual de carbono do aço, maior para o 8640, nos
tempos de resfriamento e conseqüentemente nas taxas de resfriamento.
A análise das taxas de resfriamento, conforme já mencionado, também, neste caso, não é
executada devido ao fato da têmpera ser muito brusca, deixando dúvidas quanto a real precisão
dos dados coletados.
4.4 Dureza dos materiais testados
O perfil de dureza da seção transversal média das amostras ensaiadas permitem confirmar
ou não os ganhos de tempo, os aumentos das taxas de resfriamento e, eficazmente, a
profundidade de têmpera atingida durante os testes das peças.
Figura 4.21–Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 1045, temperado em água
53
Das amostras de aço 1045, temperadas em água, nota-se, figura 4.21, que o aumento da
agitação do meio refrigerante proporciona uma penetração de têmpera maior, isto é, para uma
mesma profundidade, a dureza encontrada é maior para aquela amostra que foi temperada com
maior agitação do refrigerante. Para têmpera sem agitação a penetração foi até 10,33 mm do
centro da peça, com agitação moderada foi 9,17 mm, e 8,83 mm para agitação violenta.
Figura 4.22 – Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 1045, temperado em
salmoura
Para as curvas em U das amostras de aço 1045, temperado em salmoura, figura 4.22,
embora não tão destacados, nota-se que o efeito da agitação do meio proporciona o aumento da
penetração da têmpera no material. A penetração foi até 9,95 mm do centro da peça para têmpera
sem agitação, 9,69 mm com agitação moderada e 8,30 mm para agitação violenta.
A análise das durezas encontradas nas seções médias das amostras do aço ABNT 8620
mostram pouco ganho proporcionado pela mudança da agitação do estado sem agitação para o
estado de agitação moderada. Também foi pequena a diferença de dureza para o caso de agitação
violenta. O que se pode notar, pelas curvas de dureza, é que este aço atinge têmpera completa
(mesma dureza do centro à periferia da peça), ao ser resfriado em água, figura 4.23.
54
Figura 4.23 – Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 8620 temperado em água
Figura 4.24 – Perfil de dureza da seção média da amostra de aço ABNT 8640, temperado em
água
55
Para o aço ABNT 8640, os perfis de dureza das amostras temperadas mostram, também,
uma têmpera completa do material, variando apenas a dureza média das seções, aumentando com
a agitação, figura 4.24.
Todas estas curvas mostram, de forma geral, que um aumento na agitação do meio de
resfriamento da peça proporciona um aumento na penetração da têmpera dos aços, bem
evidenciado nos casos em que se trabalha com o aço ABNT 1045.
Na tabela 4.2 mostra-se um resumo das discussões, onde se destaca o tempo para o
resfriamento de 730 para 260 °C, a taxa de resfriamento máxima atingida e a temperatura em que
esta ocorre, para cada material e meio ensaiado.
Tabela 4.2 – Resumo dos ensaios realizados
MEIO AÇO AGIT. Tempo
730-260°C (s) Taxa Resfriamento
Máxima (°C/s) Temp. de
TRMax (°C)
SA 9,66 68,28 612,00
AM 7,26 87,16 661,73 1045
AV 6,89 143,45 668,68
SA 2,88 224,67 483,29
AM 2,29 306,54 522,49 8620
AV 1,99 450,36 604,77
SA 1,66 1368,93* 369,00
AM 1,53 1338,36* 368,39
Água
8640
AV 0,61 1241,87* 544,26
SA 7,81 118,31 709,35
AM 7,22 137,31 686,17 1045
AV 7,11 138,82 683,97
SA 2,44* 281,01* 541,43
AM 2,62* 345,61* 576,87
Salmoura
8620
AV 2,62* 527,23* 726,93 *Dados não utilizados na análise
56
5 CONCLUSÕES
No geral, a agitação do meio de refrigeração aumenta a taxa de transferência de calor da
peça para o meio durante o processo de têmpera. Este aumento fica evidenciado nos ensaios com
os aços ABNT 1045 e 8620 (tabela 4.2) quando, partindo-se de um meio sem agitação para um de
maior agitação, a taxa máxima de resfriamento atinge valores de 27,65% e 36,44% maiores,
respectivamente para o aço 1045 e 8620, do que quando resfriados sem agitação. Com o aumento
da agitação, saindo agora do estado sem agitação para um estado de agitação violenta, o aumento
registrado foi maior que 100% para ambos os materiais (110,09% e 100,45%).
Os aumentos nas taxas máximas de resfriamento são acompanhados das devidas
diminuições dos tempos de resfriamento, o que nos permite concluir que, durante o estágio de
filme de vapor, a agitação quebra a camada de vapor muito mais cedo, forçando a iniciação
antecipada do estágio de borbulhamento. Como resultado, o estágio de baixa taxa de
resfriamento, primeiro estágio, é reduzido e o de alta taxa de troca, segundo estágio, é
aumentado, elevando desta forma a eficiência do meio e aumentando a sua severidade. Um outro
fato importante é que a agitação força a formação de bolhas de forma mais intensa e menores
durante o estágio de borbulhamento, o que também contribui para a elevação das taxas de
resfriamento do segundo estágio do resfriamento. A camada que envolve o material, formando
assim uma espécie de isolante térmico para esta, com a agitação do meio deixa de existir, o que
aumenta a velocidade de resfriamento do meio. Finalmente, a agitação do líquido, durante o
terceiro estágio, renova de forma constante o líquido em contato com o material. Este novo
líquido, em temperatura menor, produz um diferencial de temperatura maior em relação à
superfície da amostra, resultando em maiores taxas de dissipação de calor.
57
Uma outra constatação foi, com o aumento da severidade do meio, troca da água por
salmoura, o aumento da agitação torna-se menos eficaz no aumento das velocidades máximas de
resfriamento. Os ganhos proporcionados pelo aumento do estado de agitação do meio foram de
16,06%, para o aço 1045 e 22,99%, para o aço 8620, saindo-se do estado sem agitação do
refrigerante para o de agitação moderada. Partindo-se para o estado de agitação violenta os
percentuais foram de 17,34% para o aço 1045 e de 87,62% para o aço 8620, menos expressivos
que para têmpera em água.
Ainda se pode constatar que o teor do elemento carbono no aço influencia nos tempos de
resfriamento e, conseqüentemente, nas taxas de resfriamento. Quando se compara os aços 8620 e
8640, conforme a tabela 4.2 demonstra, os tempos de resfriamento para o primeiro são maiores
em até aproximadamente 70% do que aqueles obtidos durante o resfriamento do aço 8640 nas
mesmas condições de agitação do meio refrigerante. Isto se deve, principalmente, ao maior teor
de carbono do aço 8640, em torno de 0,40%.
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6 RECOMENDAÇÕES PARA ESTUDOS FUTUROS
Sugere-se ainda estudos que visem elucidar as seguintes questões:
• Qual a influência do acabamento superficial do material na têmpera?
• Qual a influência da temperatura inicial do meio de resfriamento?
• Qual o melhor ângulo para mergulhar a peça no meio de refrigeração?
• Como se processa o resfriamento em caso de severidades extremamente altas?
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